在自然界中，植物间的相互作用错综复杂，其中化感作用作为一种重要的生态机制，对植物种群的分布、竞争和群落结构产生深远影响。臭椿 (Ailanthus altissima)，作为一种广泛分布的入侵物种，其化感作用近年来受到了广泛关注。来自意大利米兰大学的Fabrizio Araniti教授及其团队在Metabolites 发表了文章，通过代谢组学的视角，深入探讨了臭椿挥发性有机化合物 (VOCs) 对鬼针草 (Bidens pilosa) 发芽过程的化感作用，为理解植物间的化学通讯提供了新的见解。

研究过程与结果

本研究选取健康、成熟的臭椿叶片作为VOCs的来源，同时选用饱满、无病虫害的鬼针草种子作为实验对象。为确保实验结果的准确性，所有种子在实验前均进行了预处理，以确保其萌发潜力的一致性。将鬼针草种子置于含有不同浓度臭椿VOCs的密闭容器中，每天监测发芽情况，并记录发芽种子的数量。发芽指数 (GT%) 和发芽速度 (S) 作为评估发芽过程的主要指标，通过特定公式进行计算。此外，还设置了对照组，以排除其他非化感因素对实验结果的影响。

采用固相微萃取 (SPME) 技术收集臭椿叶片释放的VOCs，并利用气相色谱-质谱联用技术 (GC-MS) 对收集到的VOCs进行分离和鉴定。通过比对标准品和数据库信息，确定了VOCs的主要化学类别和相对丰度。在发芽实验的各个阶段，收集鬼针草种子的代谢物样本，并进行非靶向代谢组学分析。采用液相色谱-质谱联用技术 (LC-MS) 对代谢物进行分离和检测，通过数据处理软件对获得的质谱数据进行预处理、峰对齐、归一化和注释。利用主成分分析 (PCA) 等统计方法对代谢物数据进行深入分析，以揭示不同处理组之间代谢模式的差异。

1.1 VOCs特性

通过GC-MS分析，共鉴定出臭椿叶片释放的多种VOCs，主要包括醇类、多元醇、羰基化合物、脂肪酸酯、烷烃和单萜类化合物等。其中，3-己烯-1-醇、(Z)-3-己烯-1-醇和3-甲基-4-戊烯-1-醇乙酸酯等化合物在臭椿VOCs中占主导地位，其相对丰度较高。这些化合物可能具有显著的生物活性，对鬼针草的发芽过程产生重要影响。

1.2 发芽过程影响

实验结果显示，臭椿VOCs对鬼针草的发芽指数和发芽速度均产生显著影响。与对照组相比，处理组的发芽指数和发芽速度均呈现下降趋势，且随着VOCs浓度的增加，这种抑制作用更加明显。这表明臭椿VOCs对鬼针草的发芽过程具有显著的化感抑制作用。

图1. 暴露于臭椿VOC 8天的B. pilosa种子的 (a) 发芽指数 (GT%) 和 (b) 发芽速度 (S) 的剂量反应曲线。数据以平均值±SD表示，并通过单因素方差分析，使用LSD检验作为事后检验 (p ≤ 0.05)。曲线上的不同字母 (a-e) 表示处理之间的统计差异，p ≤ 0.05。N = 4。

1.3 代谢组学分析

通过非靶向代谢组学分析，共鉴定出多种与鬼针草发芽过程相关的代谢物。PCA分析结果显示，处理组和对照组之间的代谢模式存在显著差异。在处理组中，随着发芽时间的推移，代谢物的变化模式与对照组存在明显差异。这表明臭椿VOCs对鬼针草发芽过程中的代谢途径产生了显著影响。

进一步通路分析显示，受臭椿VOCs影响的代谢途径主要包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、半乳糖代谢、淀粉和蔗糖代谢、异喹啉生物碱的生物合成等。这些途径在能量产生、氨基酸代谢和合成必需代谢物等方面发挥重要作用，对种子成功发芽和随后的幼苗发育至关重要。在处理组中，这些途径的代谢物水平发生显著变化，可能导致鬼针草发芽过程的受阻。

图2. A. altissima VOC对Bidens pilosa种子代谢组的影响。(a) 两个选定PC之间的无监督PCA得分图 (解释方差显示在括号中)；(b) 以树状图显示的聚类结果 (使用欧几里得距离测量，使用ward聚类算法)。N = 4。

研究总结

本研究通过代谢组学技术，深入探讨了臭椿VOCs对鬼针草发芽过程的化感作用。实验结果显示，臭椿VOCs对鬼针草的发芽指数和发芽速度具有显著的抑制作用，且这种抑制作用随着VOCs浓度的增加而增强。代谢组学分析进一步揭示了臭椿VOCs对鬼针草发芽过程中代谢途径的影响，特别是与能量产生、氨基酸代谢和合成必需代谢物相关的途径。

在种子发芽过程中，能量代谢和氨基酸代谢发挥着至关重要的作用。臭椿VOCs可能通过干扰这些代谢途径，导致鬼针草种子在发芽过程中能量供应不足和必需代谢物合成受阻，从而影响其正常发芽和生长。此外，臭椿VOCs还可能对鬼针草种子的细胞膜结构和功能产生破坏作用，进一步加剧其发芽过程的受阻。

值得注意的是，本研究仅探讨了臭椿VOCs对鬼针草发芽过程的直接影响，而未涉及其对幼苗生长和后续发育的潜在影响。未来的研究可以进一步拓展至臭椿VOCs对鬼针草整个生命周期的影响，以及与其他植物间的相互作用机制等方面。

原文出自Metabolites 期刊：https://www.mdpi.com/3118754

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/metabolites

Metabolites 期刊介绍

主编：Amedeo Lonardo, Azienda Ospedaliero-Universitaria, Italy

期刊内容涵盖代谢组学、代谢生物化学、计算和系统生物学、生物技术和医学领域相关的代谢物以及代谢方面的研究。

2023 Impact Factor：3.5

2023 CiteScore：5.7 

Time to First Decision：16.1 Days 

Acceptance to Publication：2.9 Days